[发明专利]一种机械手臂遥操作系统及遥操作方法

摘要

本发明涉及一种机械手臂遥操作系统及遥操作方法，该机械手臂遥操作系统包括数据手套、数据处理显示单元、机械手臂控制单元、机械臂和机械手，数据处理显示单元将从数据手套接收的运动信息进行解算得到人体大臂、小臂、手背以及每个手指的姿态，并将姿态转化为控制指令通过机械手臂控制单元对机械臂和机械手进行遥操作，实现人体手臂、手控制机械臂，手指控制机械手，通过对机械臂和机械手的分别控制方式，可以充分发挥机械臂、机械手各自的运动特性，使得机械手臂能像人手一样完成复杂的操作，机械手臂通过人手臂的遥操作，能实时复现人手臂的灵巧运动，机械手臂无需进行离线的运动轨迹规划，更快捷地实现相关任务。

主权项

1.一种机械手臂遥操作系统，其特征在于：包括数据手套(11)、数据处理显示单元(4)、机械手臂控制单元(8)、机械臂(9)和机械手(10)，其中：数据手套(11)：包括若干个传感器(1)和微处理器(2)，所述若干个传感器(1)分别设置在人体的大臂、小臂、手背和每个手指的各个关节之间，用于采集人体上肢不同部位的运动信息；微处理器(2)设置在人体手腕上，用于从传感器(1)接收运动信息，并将所述运动信息发送给数据处理显示单元(4)；所述运动信息包括人体大臂、小臂、手背和每个手指的各个关节之间手指部分的角速度、加速度和磁场值；其中若干个传感器(1)的具体设置方法为：人体的大臂、小臂上各设置一个传感器(1)，中指的根关节(5)与中关节(6)之间、中关节(6)与末端关节(7)之间以及末端关节(7)与指尖之间各设置一个传感器(1)，并与手背上设置的一个传感器(1)，共四个传感器(1)形成串联连接，其余手指中每个手指的根关节(5)与中关节(6)之间、中关节(6)与末端关节(7)之间以及末端关节(7)与指尖之间各设置一个传感器(1)，每个手指上的三个传感器(1)形成串联连接；数据处理显示单元(4)；实时接收微处理器(2)发送的运动信息进行解算，得到人体大臂、小臂、手背以及每个手指的姿态，并将其中大臂、小臂和手背的姿态转化为机械臂(9)的控制指令，将其中每个手指的姿态转化为机械手(10)的控制指令，并将所述机械臂(9)的控制指令和机械手(10)的控制指令实时发送给机械手臂控制单元(8)；机械手臂控制单元(8)：实时接收数据处理显示单元(4)发送的所述机械臂(9)的控制指令和机械手(10)的控制指令，分别对机械臂(9)和机械手(10)进行遥操作，使得机械臂(9)的姿态与当前时刻人体大臂、小臂以及手背的姿态一致，使得机械手(10)的姿态与当前时刻人体手指的姿态一致；其中数据处理显示单元(4)实时接收微处理器(2)发送的运动信息进行解算，得到人体大臂、小臂、手背以及每个手指的姿态的具体方法如下：(2.1)、计算当前时刻人体大臂的姿态T1,k,具体公式如下：T1,k＝λ1×A1,k+(1‑λ1)×B1,k其中：A1,k为当前时刻大臂的高频姿态，B1,k为当前时刻大臂的低频姿态，λ1为互补系数，取值为0≤λ1≤1；k为时刻序列，取值为≥1的正整数；(2.2)、计算当前时刻人体小臂的姿态，人体小臂的姿态通过小臂与大臂之间的相对夹角T2,k来表示，具体公式如下：其中：a2x,k为沿人体小臂轴方向的加速度，a1x,k为沿人体大臂轴方向的加速度，g为重力加速度；(2.3)、计算当前时刻人体手的姿态T3,k,具体公式如下：T3,k＝λ3×A3,k+(1‑λ3)×B3,k其中：A3,k当前时刻手的高频姿态，B3,k当前时刻手的低频姿态，λ3为互补系数，取值为0≤λ3≤1；(2.4)、计算当前时刻人体手指根关节(5)与中关节(6)之间手指部分的姿态T4,k，具体公式如下：T4,k＝λ4×A4,k+(1‑λ4)×B4,k其中：A4,k为当前时刻手指根关节与中关节之间手指部分的高频姿态，B4,k为当前时刻手指根关节与中关节之间手指部分的低频姿态，λ4为互补系数，取值为0≤λ4≤1；(2.5)、计算当前时刻人体手指中关节(6)与末端关节(7)之间手指部分的姿态，通过与手指根关节(5)和中关节(6)之间手指部分的夹角T5,k来表示，具体公式如下：其中：a5x,k为沿手指中关节与末端关节之间手指部分方向的加速度，a4x,k为沿手指根关节与中关节之间手指部分方向的加速度；(2.6)、计算当前时刻人体手指末端关节(7)与指尖之间手指部分的姿态，通过与手指中关节(6)与末端关节(7)之间手指部分的夹角T6,k来表示，具体公式如下：其中：a6x,k为沿手指末端关节与指尖之间手指部分方向的加速度。